Действие компараторов

Компараторы предназначены для сравнения двух входных сигналов и скачкообразного изменения выходного сигнала в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого. На один вход компаратора подаётся исследуемый сигнал, на другой – опорный. Компараторы используются в различных областях: для сравнения уровня сигнала с пороговым значением, для получения прямоугольных импульсов из треугольных, при импульсно-кодовой модуляции, для переключения источников питания, включения освещения и отопления.

Компараторы–специализированные операционные усилители (ОУ) с дифференциальными входом и одиночным или парафазных цифровым выходом. Любой операционный усилитель может быть использован как компаратор, но промышленностью выпускается большое число специально спроектированных устройств:

· общего применения (К521СА2 ,СА5)

· прецизионные (К521СА3, К597СА3)

· специализированные (К521СА1,СА4, К1121СА1, К1401СА1)

Основными параметрами компараторов являются:

· чувствительность (точность, с которой компаратор может различать входной и опорный сигналы)

· быстродействие (от начала сравнения до момента, когда достигает порога срабатывания логической схемы)

· нагрузочная способность (способность компаратора управлять определённым числом входов цифровых устройств)

Рисунок 2.42 Схема компаратора напряжения

При подаче на неинвертирующий вход синусоидального напряжения, а на инвертирующий вход – постоянного , на выходе вследствие большого коэффициента усиления получим последовательность практически прямоугольных импульсов, причём положение моментов переключения соответствует равенству . Если входы ОУ поменять местами, то изменит знак. Однако реальный операционный усилитель имеет и , что вносит ошибки в работу компараторов, сдвигая моменты переключения в одну или другую стороны.

При наличии большого для защиты ИМС на вход включаются встречно-параллельно 2 диода, которые совместно с резисторами R1,R2 образуют ограничители. Роль резисторов могут выполнять внутренние сопротивление источников напряжения.

Если , тоК – детектор нулевого уровня (нуль-индикатор). При необходимости сравнения двух разнополярных напряжений, входной и опорный сигналы подаются на один вход (обычно инвертирующий).

Рисунок2.43

При R1=R2 , срабатывание схемы происходит при . Достоинство одновходовой схемы – отсутствует синфазная составляющая входных напряжений, что уменьшает ошибку срабатывания, обусловленную КОСС.

Переходная характеристика реального компаратора имеет не симметричный, резкий перепад, а плавный характер с конечным наклоном. Такое плавное срабатывание часто нежелательно, поэтому для лавинообразного переключения компаратора его охватывает ПОС через неинвертирующий вход.

Рисунок 2.44 Схема компаратора-регенератора

Такой компаратор-регенератор (рис 2.44.) срабатывает, когда равен или превышает максимальное значение напряжения обратной связи (ОС):

Задержку переключения на величину называется гистерезисом(рис 2.45).При этом на передаточной характеристике появляются замкнутый контур, называемый петлёй гистерезиса.

Рисунок 2.45 Гистерезис

Пороги переключения делают схему нечувствительной к шумам. Для дальнейшего увеличения стороны переключения R2 шунтируют конденсаторомC=10…100 пФ для предотвращения уменьшения петлевого усиления на ВЧ (из-за входной ёмкости компаратора).

Такой компаратор, охваченный положительной обратной связью (ПОС), имеет 2 устойчивых состояния, и, следовательно, является триггером.Если у него используются только лишь один вход, опорное напряжение не подаётся, то он срабатывает по собственному порогу и называется триггером Шмидта. Он может быть и неинвертирующим: сигнал через резистор R1, а инвертирующий вход – на корпус.

Триггер Шмидта используется для преобразования входного переменного напряжения произвольной формы в последовательность прямоугольных импульсов. Напряжение гистерезиса составляет единицы мВ и регулируется выбором R1, R2.

Однако у современных интегральных компараторов , а их значение определяется стандартным для цифровых устройств уровнями:

· логические единицы ;

· логического нуля: ;

что позволяет использовать его для непосредственного управления логическими микросхемами. По этой причине нижний и верхний пороги срабатывания (U_п.н., U_п.в.) по входному напряжению тоже оказываются неравными и могут быть одного знака.